Bioraffinerie

Bioraffinerie e biotecnologie bianche

I processi delle bioraffinerie non sono axenici, a volte si usano i consorzi microbici. Il prodotto è qualcosa che si cerca per dare la demolizione di un substrato. Le biotecnologie bianche, anche dette industriali, vengono preferite con il termine white biotechnology, e hanno applicazioni molto diverse dalle red (quelle farmaceutiche). Le green biotechnology sono molto collegate alla white, ma sono collegate alle piante. Le white sono le biotecnologie che vanno a migliorare, sostituire o ridurre l'impatto ambientale di processi chimici industriali tradizionali. La biotecnologia industriale è l'applicazione delle biotecnologie per i processi e la produzione di composti chimici, biomateriali ed energie.

Le white servono per sostituire i processi industriali classici. La bioeconomia vuol dire fare un'economia sostenibile e di minore impatto ambientale, produrre energia senza petrolio, produrre sostanze chimiche senza usare i derivati del petrolio (dal petrolio derivano anche le plastiche). La biomassa diventa la sorgente di prodotti chimici, di polimeri (tipo bioplastiche) e di produzione di energia. Questo deve essere sviluppato e può avere un impatto molto forte usando le biomasse come fonte alternativa alle risorse fossili per la produzione. La bioeconomia si basa sulla biomassa, si basa sull'utilizzo delle risorse naturali.

Utilizzo e impatto delle biotecnologie

L'utilizzo di composti fossili produce l'emissione di CO₂ a livelli sempre crescenti; l'utilizzo delle biomasse non ha questo impatto -> sono protocolli che prevedono la riduzione dell'emissione di CO₂.

Distinzione tra food e non food. La biomassa viene utilizzata per produrre cibo. L'uso della biomassa per produrre cibo è diventato competitivo per l'utilizzo della biomassa per la produzione di energia. Le biotecnologie hanno un impatto sempre crescente su molti fronti.

Gli scarti possono essere utilizzati come biomassa, in questo modo non si utilizzano le colture primarie che verranno utilizzate per il cibo. Utilizzando gli scarti si risolve anche quasi il problema dello smaltimento dei rifiuti. Si trovano delle soluzioni in natura che risolvono un problema pratico.

Processi delle biotecnologie bianche

I processi delle biotecnologie bianche possono essere suddivisi in 3 passaggi:

• Immagazzinamento delle materie prime
• Processo industriale
• Valutazione delle caratteristiche dell'utilizzo

Il problema principale non è scoprire il microrganismo alto produttore o il prodotto, ma ci si deve concentrare sul definire un ampio range di possibili materiali da poter utilizzare, quindi materie prime, del loro trattamento e del prodotto che si può ottenere da questo. Tutto questo non è semplice, però rientra nella consapevolezza che così facendo miglioriamo la qualità dell'ambiente e nello stesso tempo creiamo un'economia sostenibile. Nuovo modo di processare le biomasse che comporta nuove competenze.

Non si pretende di sostituire in molti processi tradizionali il processo chimico con quello biotecnologico, ma si va verso la sostituzione di alcuni step. Si usano le biotecnologie per un uso efficiente ecosostenibile per risorse dei materiali dell'industria. L'energia derivata dalla biomassa deve coprire una crescente quantità di consumo energetico. Le bioraffinerie rurali sostituiranno quelle basate sulle bioraffinerie classiche dove la sostenibilità economica ed ambientale è minore.

Ci sono dei Paesi dove c'è un investimento di ritorno del lavoro abbastanza elevato, tra cui anche l'Italia.

Catena di valore delle industrie basate sulle biotecnologie

• Produzione di biomassa, residui agricoli o residui di foreste o prodotti di rifiuto -> feed stock
• Collection, storage & trasporto
• Pre-trattamento della biomassa, serve che la biomassa rilasci gli zuccheri così Saccharomyces ci può lavorare (è in grado di degradare zuccheri semplici)
• I componenti devono essere processati
• I prodotti devono essere collocati

Bioraffineria

Co-produzione di prodotti (cibo, feed stock animali, materiali, composti chimici) e di energia dalla biomassa. La bioraffineria è un sistema chiuso, deve essere energeticamente autosostenibile, quindi produce energia, composti utili e necessità per se stessa. La bioraffineria serve per facilitare l'integrazione della biomassa nei processi di conversione e per produrre biofuels, calore e prodotti chimici ad alto valore aggiunto dalla biomassa. Il concetto di bioraffineria è analogo alla raffineria del petrolio, che produce fuels e prodotti dal petrolio.

La lignina è la componente legnosa della biomassa, non è facilmente utilizzabile, non è facilmente digeribile. Si crea energia bruciando la lignina, ma non è particolarmente eco-compatibile, si produce molta CO₂, ci cerca di valorizzare la lignina -> trovare in essa dei prodotti che servono per un altro comparto, può essere utilizzata in ambiti differenti (divani, ma anche spezie). Bisogna valorizzare le componenti della biomassa.

Le produzioni degli enzimi sono delle produzioni a basso valore aggiunto (ad esempio detersivi per enzimi), se invece è ad alto valore aggiunto si producono volumi enormi e si vende con un livello di purificazione basso.

Biomasse

• Amido
• Emicellulose
• Cellulose
• Lignine
• Oli
• Proteine

Le biomasse sono fatte da polimeri, non da monomeri. Quando si parla di biomassa si parla di polimeri, motivo per il quale è fondamentale il pretrattamento.

I due biofuels più importanti prodotti da biomassa in questo momento sono bioetanolo e biodiesel. Il butanolo è un'alternativa anche se meno industrializzato. C'è anche una serie di polimeri, in particolare le bioplastiche: polilattato (PLA), poliidrossialcanoato (PHA), sorona, acido acrilico. Le specialità chimiche sono una serie di prodotti della categoria prima ma che vengono usati in chimica. Ci sono anche i fine chemicals che sono aa, antibiotici, vitamine, principi attivi. Se riusciamo a fare uno di questi prodotti il valore aggiunto aumenta. Le bioraffinerie tendono a collocarsi su questi settori innovativi.

Co-coltivazione di diversi microbi

I processi delle biotecnologie possono avvenire in coltura semi-axenica. Si possono utilizzare dei consorzi microbici. Il biogas non si può fare con un solo microrganismo, è necessario il consorzio microbico. Questo però ha un grosso svantaggio perché se voglio un determinato prodotto mi serve un determinato microrganismo se no ho contaminazione, mi serve un processo riproducibile. Qui invece la variabilità metabolica diventa un valore perché il feedstock non è uguale a se stesso. Questo è fondamentale perché i substrati sono variabili tra di loro. La diversità microbica nella popolazione operante è un vantaggio. Se si dà un determinato substrato si va a selezionare una determinata popolazione che è in grado di utilizzare quel determinato substrato. Quello che si mette come substrato condiziona il processo, in base a cosa mettiamo selezioniamo anche l'output. C'è una minore suscettibilità alla variabilità.

Substrati

• Sottoprodotti delle filiere agro-alimentari
• Corn steep liquor -> miscela contenente l'acqua di lavorazione del mais, contiene anche aa, proteine, minerali, vitamine, acidi organici, enzimi e altri nutrienti elementari. È stato l'elemento per cui gli americani riuscivano a produrre la penicillina ad alta efficienza.
• Melasse -> prodotte dall'estrazione della barbabietola da zucchero, acque di scarto degli zuccherifici, utilizzata in fermentazioni anche industriali.
• Paglia, lignina, cellulosa, emicellulosa, pigmenti, polifenoli, vitamine -> prodotti di rifiuto dell'agricoltura.

I primi due substrati sono molto ricchi, vengono utilizzati anche nell'industria farmaceutica, ma soprattutto in quello alimentare. Gli scarti alimentari sono i substrati di seconda generazione. Ci sono problematiche molto particolari: ad esempio in Italia c'è un substrato interessante anche se non è ancora stato trovato un modo per utilizzare -> residui dei frantoi. Vengono smaltiti in maniera molto inquinante: o vengono sotterrati (ma i residui di olive contengono i polifenoli che sono tossici in grande quantità) o vengono bruciati, ma sono comunque tossici anche volatili. Ci sono dei bandi per trovare usi alternativi ai residui dei frantoi.

Siero di latte -> residuo che rimane dopo la cagliata che è ancora ricco di zuccheri, proteine e sali. È un prodotto che viene riciclati anche dai caseifici dandolo da mangiare ai maiali.

Acque di scarico -> industriali, municipali e possono contenere tante cose diverse.

I processi industriali

Conversione di biomassa in energia: bioetanolo, biobutanolo, bioidrogeno, biogas, bioelettricità. La digestione anaerobica funziona, il suo prodotto è un gas. Quando i prodotti sono dei gas e questo permette di non avere problemi di downstream. La coltura microbica utilizzata è una coltura mista e il valore del prodotto finale aggiunto è basso.

La produzione di idrogeno è ancora studiata su piccola scala in laboratorio, anche in questo caso il prodotto è un gas e quindi è facilmente separabile dal resto. La coltura utilizzata è sempre mista e il prodotto ottenuto ha un valore aggiunto medio.

MFC è ancora in fase di laboratorio, il prodotto è l'elettricità e il suo recupero è semplice, il valore aggiunto è basso. Produzione di solventi per via biochimica è in fase di scale-up, vi sono problemi nella separazione dei prodotti in quanto questi sono solubili. Le colture sono pure o semi-pure e il valore aggiunto è alto.

Processi che servono in questo caso per il trattamento di rifiuti e si usano diversi sorgenti. I substrati di rifiuti che derivano dall'industria agricola o alimentare sono in grado di produrre prodotti di interesse, vengono convertiti in qualcosa di utile. Ceppi vengono selezionati però con meno attenzione alla sterilità della coltura.

Digestione anaerobica

È considerata un processo sostenibile, già maturo dal punto di vista di contribuzione per la produzione di energia da biomassa rinnovabile, si basa sul trattamento di materiale organico da agricoltura, industria e rifiuti municipali. Questo tipo di processo (produzione di biogas) è una forma di energia rinnovabile, valorizzato dal protocollo di Kyoto contro le emissioni di CO₂ ed è importante per il trattamento del waste. Questo tipo di digestione è un processo consolidato, è operativo, ci sono parecchi impianti operativi, anche in Italia. Ci sono veicoli che vanno a biogas, ci sono anche molti impianti di riscaldamento che vanno a biogas.

Si è cercato di capire come funziona un digestore anaerobico -> consorzio microbico, diversi microrganismi riescono a rompere il materiale organico e a convertirlo nel materiale di interesse. Il biogas è fatto da metano, CO₂ e altri gas di interesse. È un processo che tratta i rifiuti biodegradabili e i cosiddetti fanghi che derivano dai processi aerobici per poi passare al trattamento anaerobico. Il residuo è usato come fertilizzante, si deve utilizzare tutto fondamentale perché deve essere autosufficiente rispetto all'ambiente circostante.

Processo del digestore anaerobico

Sistema fatto da più microrganismi che devono convivere, devono esserci tutti i microrganismi al fine di poter produrre al meglio. Ci sono 3 processi condotti tra diversi gruppi di microbi:

1. Idrolisi dei polimeri -> nei rifiuti la biomassa si presenta tendenzialmente come polimeri (amido, cellulosa, grassi proteine, etc.), quindi va spezzata e preparata al fine di ottenere zuccheri fermentabili. Quindi l'idrolisi genera zuccheri, acidi inorganici o aa che vengono fermentati da clostridi, enterobatteri e streptococchi. Fermentazione acidogenica -> produzione di acidi organici (acido propionico, acido butirrico, acido acetico, acido lattico, alcoli, H₂ e CO₂). Questa fase si chiama idrolisi acidogenica. Fatta da colture miste e questi microrganismi normalmente sono anaerobi, i clostridi sono anaerobi obbligati (non sopravvivono in presenza di ossigeno, non hanno enzimi che permettono la sopravvivenza ai prodotti reattivi dell'ossigeno, chemioeterotrofi anaerobi obbligati), gli enterococchi sono anaerobi facoltativi (se c'è ossigeno riescono a consumarlo, quando non c'è ossigeno “attivano” il metabolismo fermentativo e scaricano gli elettroni su un intermedio metabolico, questi microrganismi sono chemioeterotrofi respiratori e poi chemioeterotrofi fermentativi, fanno un “favore” ai clostridi). I primi a lavorare con i rifiuti sono gli enterobatteri, una volta che hanno ridotto tutto l'ossigeno possono lavorare anche i clostridi. H₂ e CO₂ presenti in questa fase possono già essere utilizzati dagli Archaea, ma solo questi, il resto va convertito.
2. Conversione di acidi organici come ad esempio acido propionico, acido butirrico e alcoli in acido acetico, H₂ e CO₂. Questa seconda popolazione è stata prima ipotizzata, presenza suggerita da evidenza, poi è stata trovata. Questi microrganismi non sono coltivabili in coltura pura, sono chiamati sintrofi acidogenici, generano acido acetico, H₂ e CO₂. Questi microrganismi sono chiamati sintrofi, riescono a crescere solo se sono presenti altri microrganismi che sono in grado di sottrargli qualcosa. Le reazioni sono endoergoniche e devono essere accoppiate a reazioni esoergoniche per poter avvenire.
3. Metanogenesi: conversione di acido acetico e idrogeno in metano e CO₂. Microrganismi di questo passaggio: gruppo molto particolare, sono strettamente anaerobici. Gli Archaea non sanno usare lo zucchero, è un gruppo altamente specializzato, non vivono su carboidrati, ma posso usare solo acido acetico, idrogeno e CO₂.

Due tipi di metanogeni:

• Quelli che usano solo gas, H₂ e CO₂, e producono CH₄, molti di questi sono ipertermofili, si trovano ad esempio nelle fosse oceaniche di natura vulcanica.
• Altri che usano l'acetato, prima struttura organica che viene utilizzata quando si parla dei cicli del carbonio, accettano la prima molecola con lo scheletro a 2C. Non possono utilizzare zuccheri o qualsiasi composto a più di 2C. Questi producono CH₄ e CO₂.

Bisogna capire quale gruppo di metanogeni prevale, per vedere se producono un biogas di maggior o minore qualità. Il biogas è formato per il 55-75% da metano e 25-45% di CO₂.

Com'è fatto un digestore?

Quelli di nuova generazione vengono detti “a cielo aperto”. Sono grossi reattori interrati (quelli vecchi), struttura in cui arriva il materiale organico che viene dalla fase aerobica, entra il substrato e il digestore non è agitato, ma l'agitazione è spontanea (agitazione pneumatica, da gas), il fango viene messo in continuo o in pulse. Si forma una stratificazione che tende a sedimentare e viene “mangiato” dai microrganismi, si forma una sovranatante. Si forma anche della schiuma, ma CH₄/CO₂ si formano e si raccolgono spontaneamente nella cosiddetta “cupola”. Può avvenire anche uno scarico dal fondo se il materiale organico parzialmente digerito permane all'interno del digestore.

Fattori che condizionano il processo biologico

Il processo biologico è condizionato da una serie di fattori:

• Temperatura -> fattore importante, i vari gruppi microbici all'interno del reattore hanno ottimi di temperatura diversi. Ad esempio i metanogeni possono essere ipertermofili, se la temperatura scende troppo i metanogeni vanno in sofferenza. Ogni volta che c'è un'azione esterna l'equilibrio si può alterare o si può cercare di rimodulare per aiutare i metanogeni a crescere.
• pH -> se il digestore si acidifica troppo non produce più metano, perché la metanogenesi avviene a pH neutro. È un equilibrio complesso: più si produce acido più i metanogeni muoiono e più si accumula acido.
• Tossicità dei substrati e dei prodotti (acidi grassi, ioni ammonio, Na⁺, metalli pesanti, Ca²⁺, K⁺, xenotiobitici). Se non funziona la popolazione sintrofica il livello di tossicità aumenta.

Ogni volta che si introduce qualcosa cambia la velocità di crescita e la produzione. Bisogna cambiare alcune cose per avere un'ottima produzione. Bisogna anche controllare che non vi siano composti tossici nei fanghi come ad esempio gli antibiotici. Dando tanti acidi grassi si ha un'elevata produzione di acido acetico grazie alla β-ossidazione. Se si danno invece dei composti solforati si ha una produzione di biogas pessima.

La metanogenesi è presente anche in natura, non solo nei microrganismi, ma anche negli animali come ad esempio nel rumine dei bovini, nelle termiti, nelle radici delle piante acquatiche. Avviene anche nelle discariche, negli impianti di depurazione, avviene anche nelle risaie (dove c'è una forte componente anaerobica).

Metanogeni

Appartengono filogeneticamente agli Archaea, questi hanno caratteristiche intermedie tra eucarioti e batteri. Hanno metabolismo molto specializzato e unico. Negli Archaea ci sono vari gruppi, non tutti producono metano, ma quelli che producono metano vengono chiamati “metano-” (metanococcus adMeth...)